飛機是一個龐大而複雜飛行器系統,是人類製造的一種最複雜的高技術產品之一。現代飛機具有外形氣動要求嚴格、設計更改頻繁、產品構型眾多等特點。現代飛機型號的研製技術含量高、研製周期長,且研製過程耗資巨大,因此必須按照研製流程分階段開展論證設計和過程控制。國內通常按照分階段、循序漸進的規律,通常將飛機的研製過程劃分為概念性設計階段、初步設計階段和詳細設計階段。
概念性設計階段的任務是根據飛機的設計要求,對所要設計的飛機進行全面的構思,形成關於飛機設計方案較為粗略的基本概念,初步確定滿足設計要求的初步設計方案。具體的工作內容主要包括:(1)初步選定飛機的形式,進行氣動外形布局;(2)初步選擇飛機的主要基本參數;(3)選定發動機和主要的機載設備;(4)初步選擇各主要部件的主要幾何參數;(5)粗略繪製飛機的三面草圖;(6)進行初步的性能估算,檢查其是否符合飛機設計要求所給定的性能指標;(7)對初步方案進行修改整理,並進行評比和論證,選定最合理的方案;(8)經主管部門批准後,繼續進行下一階段的設計工作。概念性設計階段的工作不需要做進行大量的試驗驗證,因此這一階段的研製過程所需費用較少,但對飛機設計工作具有全局性影響的重大決策,大多是在概念性設計階段做出的。
初步設計階段的任務是對概念性設計階段確定的設計方案進行修改和補充,使其進一步地明確和具體化,最終給出完整的飛機總體設計方案。這一階段的主要工作包括:(1)修改、補充和完善飛機的幾何外形設計,給出完整的飛機三面圖和理論外形;(2)全面布臵安排各種機載設備、各個系統和有效載荷;(3)初步布臵飛機結構的承力系統和主要的承力構件;(4)進行較為詳細的重量計算和重心定位;(5)進行比較精確的氣動力性能計算和操縱性、穩定性計算;(6)給出詳細的飛機總體布臵圖。在初步設計階段階段,通常還要對飛機及其各系統進行大量的試驗研究工作,有時還需要製造全尺寸的試驗樣機,用於協調各系統和內部裝載布臵,因此該 階段要耗費較多的時間和資金。
詳細設計階段的工作主要是進行飛機的結構設計,包括部件設計和零構件設計。設計完成後,要給出飛機各個部件和各個系統的總圖、裝配圖、零件圖,以及詳細的重量計算和強度計算報告。此階段的工作量很大,而且還要進行許多試驗,包括靜強度試驗、動強度試驗、壽命試驗和各系統的地面臺架試驗等。下一步的工作是試製原型機和進行地面試驗,包括全機靜、動力試驗和各系統的地面試驗,如果試驗中發現問題,則要對原型機進行修改再進行試飛。試飛合格後申請設計定型,由國家有關部門審查,發給型號合格證書,下一步則轉入批量生產階段。
飛機主要包括機體、發動機、機載設備和標準件及其他四大部分,機體由機頭、機身、艙門、尾翼、吊掛和雷達罩等結構部件所構成,主要保證飛機的氣動外形,並將飛機各個部分連接成一個整體,佔整機總價值量的比重約為 30%;發動機作為航空太空飛行器的關鍵子系統,是保證飛機克服空氣阻力向前飛行的動力源,其價值量佔比約為 25%;機載設備主要包括飛行控制系統、液壓系統、燃油系統、通信系統、導航系統等系統,是飛機的指揮中樞,用於控制和協調各部件的工作,其價值量佔比約為 30%;標準件及其他主要包括緊固件、密封件、操縱件、內飾、電線電纜和電氣通用元器件等部分,其價值量佔比也為 15%。
由於使用目的不同,飛機結構和一般的機械結構相比,具有自身的特殊要求。這些要求可以概括為:氣動要求、結構完整性要求、最小質量要求、使用維護要求、工藝性要求、材料要求:
氣動要求:飛機的機翼、尾翼和機身等部件的幾何外形參數與飛機的總體性能密切相關,上述部件的製造過程應保證構造外形滿足總體設計規定的外形準確度,不允許機翼、尾翼、機身結構有過大變形,以保證飛機具有良好的氣動升力、阻力特性以及良好的穩定性和操縱性。
結構完整性要求:飛機結構完整性是確保飛機安全壽命和高可靠性的重要條件 由於使用目的不同,飛機結構和一般的機械結構相比,具有自身的特殊要求。這些要求可以概括為:氣動要求、結構完整性要求、最小質量要求、使用維護要求、工藝性要求、材料要求:
氣動要求:飛機的機翼、尾翼和機身等部件的幾何外形參數與飛機的總體性能密切相關,上述部件的製造過程應保證構造外形滿足總體設計規定的外形準確度,不允許機翼、尾翼、機身結構有過大變形,以保證飛機具有良好的氣動升力、阻力特性以及良好的穩定性和操縱性。
結構完整性要求:飛機結構完整性是確保飛機安全壽命和高可靠性的重要條件。
機翼結構形式主要根據機翼結構中主承力系統的組成形式來劃分,根據主要抗彎構件的不同,典型的受力形式有蒙皮骨架式、整體壁板式和夾層結構。主承力系統由承受作用在機翼上的力和力矩的構件組成,通常按照強度設計的要求選擇機翼結構形式。現代飛機機翼大多採用蒙皮骨架式結構,根據其內部承力結構形式的不同,蒙皮骨架式結構又可以分為雙梁式結構、單塊式結構、多牆式結構等不同類型。
飛機機翼的質量通常佔全機質量的 8%~15%,其中機翼結構質量佔機翼質量的30%~50%。在構造上,飛機機翼通常由蒙皮、骨架和接頭組成,其中:接頭的作用是將機翼上的載荷傳遞到機身上,骨架結構分為縱向構件和橫向構件,縱向構件包括翼梁、長桁和牆,橫向部件包括普通肋和加強肋,蒙皮是包圍在機翼骨架外的微型構件,用鉚釘或粘結劑固定於骨架上,形成機翼的氣動外形。
機身是指用來裝載人員、貨物、機載設備等,並將機翼、尾翼、發動機和起落架等連成一個整體的飛機部件。機身結構一般由蒙皮和內部骨架組成,內部骨架包括長桁、桁梁等縱向構件和隔框等橫向構件,各結構元件的功能相應地一與機翼結構中各元件相同。
機身通常需要承受剪力、彎矩以及沿機體軸向的軸向力和扭矩,並且機身內部需要 裝載貨物、成員、發動機等,承受上述裝載物品帶來的分布載荷和集中載荷,因此機身結構的設計一般採用剛性薄壁空間結構,從結構形式上課分為構架式結構、硬殼式結構以及半硬殼式結構,半硬殼式結構又可分為桁梁式結構和桁條式結構兩種:
構架式機身:在早期的低速飛機上,機身的承力構架都做成四緣條的立體構架。為了減小飛機的阻力,在承力構架外面固定有整形用的隔框、桁條和布質蒙皮(或木製蒙皮),這些構件只承受局部空氣動力,不參加整個結構的受力,機身的剪力、彎矩和扭矩全部由構架承受,其中彎矩引起的軸向力,由構架的四根緣條承受,垂直方向的剪力由構架兩側的支柱和斜支柱(或各對張線)承受,水平方向的剪力由上、下平面內的支柱、斜支柱(或張線)承受;機身的扭矩,則由四個平面構架組成的立體結構承受。構架式機身的抗扭剛度差,空氣動力性能不好,其內部容積也不易得到充分利用,只有一些小型低速飛機機身採用構架式機身。
硬殼式機身:機身採用框架、隔框形成機身的外形,而蒙皮承受主要的應力,硬殼式機身結構沒有縱向加強件,因而蒙皮必須足夠強以維持機身的剛性,其主要問題是重量較重,現代飛機較少採用這種結構。
桁梁式機身:桁梁式機身由幾根較強的大梁、較弱的桁條、較薄的蒙皮和隔框組成。機身彎曲時,彎矩引起的軸向力主要由大梁承受,蒙皮和桁條組成的壁板截面積較小,受壓穩定性較差,只能承受一小部分彎矩引起的軸向力。 桁梁式機身,由於採用了較強的大梁,因而可以開大的艙口而不會顯著地降低結構的強度和剛度。
桁條式機身:桁條式機身的桁條和蒙皮較強,受壓穩定性好,彎矩引起的軸向力全部由上、下部的蒙皮和桁條組成的壁板受拉、壓來承受。由於蒙皮加厚,改善了機身的空氣動力性能,增大了機身結構的抗扭剛度,所以與桁梁式機身相比更適用於較高速飛機。此外,桁條式機身的蒙皮和桁條在結構受力中能夠得到充分利用。桁條式機身各構件受力比較均勻,傳遞載荷時必須採取分散傳
遞的方法,因而機身各段之間都用很多接頭來連接。
尾翼用於保證飛機的縱向和航向的平衡與安定性,以及實施對飛機的縱向、俯仰和航向的操縱。一般常規飛機的尾翼由水平尾翼和垂直尾翼兩部分組成,水平尾翼由水平安定面和升降舵組成,垂直尾翼由垂直安定面和方向舵組成。從本質上說,尾翼的直接功用也是產生升力,因而尾翼的設計要求和構造與機翼十分類似,通常都是由骨架和蒙皮構成的。根據水平尾翼和垂直尾翼布局形式的不同,常見的飛機尾翼的布局形式包括常規式布局、T 形尾翼、V 形尾翼、無尾式布局等多種不同的形式。
水平尾翼簡稱平尾,是飛機縱向平衡、穩定和操縱的翼面。平尾左右對稱地布臵在飛機尾部,其翼面前半部通常是固定的,稱為水平安定面,後半部鉸接在安定面的後面,可操縱上下偏轉,稱為升降舵。在飛行中,飛機升力的位臵會隨迎角和速度的變化而移動,飛機重心也因燃油消耗等原因而變動,通常需要通過平穩產生負升力或正升力使飛機保持力矩平衡。飛機平尾按照相對於機翼上下位臵的不同,大致可以分為高平尾、中平尾和低平尾三種形式。
垂直尾翼簡稱垂尾,起保持飛機的航向平衡、穩定和操縱作用。與平尾類似,垂尾翼面的前半固定的部分稱垂直安定面,方向舵鉸接在安定面後部。垂尾的作用是保持轉彎在無側滑狀態下進行,在有側風著陸時保持機頭對準跑道,以及在飛行中平衡不對稱的偏航力矩。方向舵操縱系統中可裝阻尼器,以制止飛機在高空高速飛行中出現的偏航搖擺現象。
起落架是飛機在地面停放、滑行、起飛著陸滑跑時用於支撐飛機重力、承受相應載荷的裝臵。起落架能夠消耗和吸收飛機在著陸時的撞擊能量,保證飛機靈活穩定地完成在地面上的各種操縱動作。現代飛機的起落架通常由緩衝系統、承力結構、帶充氣輪胎的機輪、減振器、剎車裝臵及轉彎操縱機構、減擺器、收放機構等組成。起落架的布臵形式是指飛機起落架支柱的數口和其相對於飛機重心的布臵位臵。目前飛機上通常採用後三點式、前三點式、自行車式和多點式四種起落架布局形式:
後三點式:早期在螺旋槳飛機上廣泛採用後三點式起落架。其特點是兩個主輪(主起落架)布臵在飛機的質心之前並靠近質心,尾輪(尾支撐)遠離質心布臵在飛機的尾部。在停機狀態時,飛機 90%的質量落在主起落架上,其餘的 10%由尾支撐來分擔。
前三點式:兩個主輪保持一定間距左右對稱地布臵在飛機質心稍後處,前輪布臵在飛機頭部的下方,飛機在地面滑行和停放時,機身地板基本處於水平位臵,便於旅客登機和貨物裝卸。
自行車式:前輪和主輪前後布臵在飛機對稱面內(即在機身下部),重心距前輪與主輪幾乎相等。為防止轉彎時傾倒,在機翼下還布臵有輔助小輪。這種布臵型式由於起飛時抬頭困難而較少採用。
多點式:起落架的布臵形式與前三點式起落架類似,飛機的重心在主起落架之 前,但其有多個主起落架支柱,一般用於大型飛機上。採用多支點式可以使局部載荷減小,有利於受力結構布臵;還能夠減小機輪體積,從而減小起落架的收放空間。
根據起落架緩衝器和傳遞載荷的方式的不同,飛機起落架的結構設計可分為構架式起落架、支柱式起落架、搖臂式起落架等不同形式:
構架式起落架:通過承力構架將機輪與機翼或機身相連,承力構架中的杆件及減振支柱都是相互鉸接的,它們只承受軸向力而不承受彎矩。因此,這種結構的起落架構造簡單,質量也較輕,在過去的輕型低速飛機上用得很廣泛,但由於構架式起落架其難以收放,現代高速飛機基本上不採用。
支柱式起落架:減振器與承力支柱合二為一,機輪直接固定在減振器的活塞杆上,減振支柱上端與機翼的連接形式取決於收放要求,分為懸臂式和撐杆式兩類。對收放式起落架,撐杆可兼作收放作動筒,扭矩通過扭力臂傳遞,也可以通過活塞杆與減振支柱的圓筒內壁採用花鍵連接來傳遞。這種形式的起落架構造簡單緊湊,易於放收,而且質量較輕,常用於起落架較長、跑道路面較好、受前方撞擊較小的飛機上。
搖臂式起落架:機輪不與緩衝支柱直接相連,通過可轉動的搖臂與減振器的活塞杆相連,減振器也可以兼作承力支柱。這種形式的起落架對垂直撞擊、前方撞擊以及剎車等均有不同的緩衝能力,緩衝器只承受軸向力,不承受彎矩,因而密封性能好,可增大減振器的內部充氣壓力,以減小減振器的尺寸,克服了支柱式的缺點,在現代飛機上得到了廣泛的應用。
飛機結構的基本特點是外形與構造複雜、零件數目多,尺寸大、剛性小,歸納起來其主要特點包括如下幾點:
構造複雜,零件多:一輛載重汽車包括發動機在內有 3000 多個零件,而一架飛機僅殼體上的零件就有 10000 至 100000 件不等,其中還不包括幾百萬件的螺釘、鉚釘等標準件。如某型轟炸機僅重要附件就有 8100 種,以及 320 多臺電子電氣裝臵、長 2400mm 的液壓管路和長 100km 左右的導線。因此,要求有廣泛的協作體系,許多零件、附件、成件、儀表設備都要有專廠供應。 外形複雜,尺寸大:飛機的骨架和蒙皮大多具有不規則的曲面形狀,在尺寸上,大型運輸機 C-5A 翼展長達 68m,機身全長 75m,因此決定了零件、組合件、部件的尺寸也較大,如 B747 機翼上一塊整體壁板長達 34m,A380 超臨界外翼下翼面整體壁板的長度也達到
精度要求高,剛度小:由於氣動力性能的要求,大部分機體構件的外形準確度一般都在 10 級精度範圍內。如 L-1011 飛機的複雜曲面蒙皮壁板,最大尺寸為2.5mX12m,成形誤差要求小於 0.3mm。在滿足性能要求的前提下,飛機的質量越輕越好,多採用剛度小的薄壁結構,一些零件在自重狀態都會引起結構變形。
從飛機結構特點分析中可以看出,總休上飛機主要是由結構件和蒙皮兩大部分組成的。飛機的整體框、整體梁、整體肋、接頭和整體壁板等都是典型的飛機結構零件,其主要加工方法為機械的切削加工,毛坯常用鍛件和鑄件,主要的加工方式有毛坯的切割,零件的車削、銑削、磨削、鑽削、刨削等,涉及的加工設備及工裝主要有車床、銑床、磨床、鑽床、刨床,以及相應的車刀、銑刀、磨削砂輪、鑽頭、刨刀及相配套的夾具等。飛機的框、肋、析條、蒙皮等都是典型的飛機鈑金類零件,鈑金類零件是用板料或型材通過塑性成形工藝製造出來的,主要的成形工序有:毛坯下料、彎曲成形、拉深成形、軋壓成形、旋壓成形等,鈑金成形工藝裝備有毛坯下料設備和成形設備,前者如剪床、衝裁模具、數控下料工具機、等離子切割、高壓水刀切割及雷射切割等,後者主要有普通/數控衝床、蒙皮拉形工具機、型材拉彎工具機、數控閘壓工具機及數控彎管工具機等,此外鈑金成形需要模具。
工藝裝備簡稱「工裝」,飛機工藝裝備是指飛機製造國產所需的夾具、模具、量具和工位器具的總稱。由於飛機產品的結構和工作環境不同於一般機械產品,所以在 飛機製造過程中除了採用各種通用工具機、常用工具和試驗設備外,還須針對不同的零件、組合件、部件製造專用工藝裝備,利用這些專用工藝裝備用於對工件進行加工成形、裝配安裝、測量檢查,以及在工藝裝備之間進行協調移形。工藝裝備對保證飛機零件、部件的質量,提高勞動生產率,降低人勞動強度,實現安全生產都有重要作用。
飛機工藝裝備是飛機製造的必備裝備,也是飛機製造工程中的一項關鍵技術,飛機企業的工藝裝備的技術水平反映了企業的製造技術水平。SU-27 飛機全機採用的工藝裝備總數達到 61881 項,其中標準工藝裝備 687 項,生產用工藝裝備 61194 項。參考國外飛機製造的情況,工藝裝備的費用佔總研製費用的 16.5%至 19.5%,設計製造周期佔飛機研製周期的 1/3 左右。
飛機製造過程中常用工藝裝備可分為標準工藝裝備和生產工藝裝備兩類。標準工藝裝備用於協調、製造其它工藝裝備的依據,如標準樣件、標準量規、標準模型、結合樣板、輔助量規、標準控制圖和賦予總體或部分協調製造信息的數學模型(也稱數位化標準工藝裝備,可視為製造數據集的一種)。生產工藝裝備用於製造、裝配及安裝產品所使用的工藝裝備,如型架、精加工臺、模具、型胎、鑽模、銑切夾具、組合夾具、檢驗夾具、地面設備和試驗設備等。包括生產最終產品的裝配工裝、檢驗夾具和吊運設備。
標準工藝裝備以 1:1 的真實尺寸來體現產品某些部位的幾何形狀和尺寸的剛性實體,作為用於製造、檢驗和協調生產的工藝裝備的模擬量標準,是保證生產用的工藝裝備之間、產品部件和組件之間的尺寸和形狀協調與互換的重要依據。標準工藝裝備必須具有足夠的剛度,以保持其尺寸和形狀的穩定性,同時應比生產用工藝裝備具有更高的準確度。標準工藝裝備的種類可分為標準樣件、標準量規、標準平板等,其中標準樣件又可分為安裝標準樣件、表面標準樣件和反標準樣件。
由於飛機結構不同於一般機械,在飛機的裝配過程中,不能單靠零件自身形狀和尺寸的加工準確性來裝配出合格的部件,而須採用一些特殊的裝配工藝裝備。裝配工藝裝備是一類專用生產裝備,在完成飛機產品從零組件到部件的裝配以及總裝配過程中,用以控制其形狀幾何參數且具有定位功能。裝配型架是裝配工藝裝備中主要的一類,按其用途或工作性質可劃分為裝配型架、對合型架、精加工型架、檢驗型架等,按裝配對象的連接方法,又可將裝配型架劃分為鉚接裝配型架、膠接裝配型架、焊接裝配型架等,其中鉚接裝配型架數量最多。
鈑金零件是組成現代飛機機體的主要部分,一般佔飛機零件總數的一半以上。據統計,一架中型飛機上的鈑金零件達 60000 件,製造工時約佔整架飛機總工時的 15%,飛機鈑金零件的製造直接影響飛機的整機質量和生產周期。典型的飛機鈑金零件有蒙皮、隔框、壁板、翼肋、導管等,飛機鈑金零件具有尺寸大、厚度薄、剛度小、形狀複雜、精度要求高的特點。一架飛機的鈑金零件總數雖然很多,但同種零件的數量卻很少,而且材料的品種較多,因而飛機鈑金零件的生產特點為品種多、批量小、製造方法多樣化。
飛機鈑金零件主要包括具有氣動外形的零件、骨架零件、內裝零件等幾個類別,具有氣動外形的零件要求要有準確、光滑、流線的曲面形狀,骨架零件要求零件能以最小自重保有最高的結構效率,所有鈑金零件要求在規定的使用和儲存期限內具有要求的強度、剛度以及抗疲勞、抗腐蝕和耐熱等物理、化學性能。飛機鈑金零件不 但形狀複雜,而且需要使用多種比強度高和耐熱、抗腐蝕的材料,其中用量最大的是硬鋁、超硬鋁和防鏽鋁合金,鈦合金因其比強度高、耐熱和耐腐蝕性好的特點,在鈑金零件用料佔比不斷提高。
從成形方法上分,飛機鈑金零件可分為擠壓型材零件、板材零件和航空管件零件三種 。擠壓型材零件通常是飛機骨架零件,包括桁條、大梁以及框肋的緣條等,可進一步細分成壓下陷型材、壓彎型材、滾彎型材、繞彎型材、拉彎型材、複雜型型材等類別。板材是飛機鈑金零件中的重要類別,鈑金成形零件中 80%以上都需要先裁剪成毛料然後成形,根據板材零件特徵的不同,又可細分為平板零件、板彎型材零件、拉深零件、蒙皮零件、整體壁板零件和落壓零件等不同類型。航空管材零件其特點是外形複雜、質量要求高、彎曲方法多、端頭加工複雜、表面處理方法多以及需做氣密、強度試驗等,可具體細分為擴口彎曲導管、無擴口彎曲導管、滾波卷邊彎曲導管、異形彎曲導管和焊接管等類型。
過去飛機機體主要部分都由鈑金零件裝配而成,隨著飛機性能的不斷提高整體結構日益增多。由於整體框、梁、肋的出現及整體壁板結構的廣泛應用,機械加工零件的類型和品種日益增加,在某些類型飛機的生產中,機械加工零件所佔勞動量比重已超過鈑金成形零件。整體結構件與鉚接結構相比有如下優點:(1)在氣動性能方面,外形準確和對稱性好;(2)在強度方面,剛性好,比強度高,可減輕質量 15%-20%;(3)氣密性好;(4)可大大減少零件和連接件數量;(5)裝配後變形小,使部件成本降低 50%左右。
飛機整體結構件已成為構成飛機機體骨架和氣動外形的重要組成部分,它們品種繁多、形狀複雜、材料各異。為了減輕質量而進行的等強度設計,往往要在結構件上形成各種複雜型腔,因和比一般機械零件相比整體結構件加工難度大,製造水平要求高,形位精度要求高,而且有嚴格的質量控制和使用壽命要求,例如壁板、梁、框、座艙蓋骨架等結構件是由構成飛機氣動外形的流線型曲面、各種異形切面、結合槽口、交點孔組合而成的複雜實體。目前飛機上常見的整體結構件有整體壁板、整體梁類零件、整體框肋類零件、整體骨架類零件、接頭類零件等。
飛機整體結構件具有批量小、品種多、協調關係複雜,要求製造設備精度高、自動化水平高、生產效率高、具有柔性等特點,目前飛機整體結構件主要採用數控加工的製造方式。對於形狀較簡單的結構件,採用三軸或四軸數控工具機就可以進行加工,對於形狀複雜的結構件,受刀具與零件相對位臵的限制,採用三軸或四軸數控工具機則需要多次裝卡才能完成零件的加工,目前對複雜零件採用五軸聯動加工技術是現代航空零部件數控加工的發展趨勢。
飛機整體結構件使用的主要材料有鋁合金、合金結構鋼、鈦合金和複合材料等,在早期的飛機製造業中鋁合金是飛機結構的主要材料,用量一般佔飛機總質量的 70%至 80%左右,隨著飛機製造業的發展以及新材料的出現,鋁合金材料在飛機結構中的應用逐漸減少。目前飛機整體結構件大多為金屬材料製成,其毛坯料大多採用模鍛和預拉伸厚板材,後續經過切削加工、校正、成形等工藝流程製成結構製品,最終經過表面光整加工、表面熱處理等工序形成最終的整體航空結構件。
為了滿足飛機的使用、維護以及生產工藝上的要求,整架飛機的機體可分解成許多大小不同的裝配單元。首先,飛機的機體可分解成若干部件,如某殲擊機的部件包括:前機身、後機身、機翼、襟翼、副翼、水平尾翼、垂直安定面、方向舵、前起落架和主起落架等。有些部件還可分解成段件,如機翼分解為前緣段、中段和後段,有的部件或段件可再分解為板件,板件是由部件或段件的蒙皮以及內部骨架元件的一部分所組成的,如機翼中段的上、下壁板,後機身的上、下板件和左、右側壁板等。
飛機機體結構劃分為許多裝配單元後,兩相鄰裝配單元間的對接結合處就形成了分離面,飛機機體結構的分離面一般可分為設計分離面和工藝分離面兩類:
設計分離面:飛機部件之間、部件與可拆卸件之間形成的分離面。如為便於機翼的運輸和更換,需將機翼設計成獨立的部件;襟翼、副翼或舵面,需在機翼或安定面上做相對運動,也應劃分為獨立的部件;為便於殲擊機機身後部發動機的維修、更換,需要把機身分成前、後機身兩個部件。設計分離面都採用可卸連接(如螺栓連接、鉸連結合等),而且一般要求它們具有互換性。
工藝分離面:為滿足製造和裝配過程的需要,需將部件進一步分解為更小的裝配單元,這種裝配單元之間的分離面稱為工藝分離面。由部件劃分成的段件,以及由部件、段件再進一步劃分出來的板件和組合件,它們之間的界面都是工藝分離面,工藝分離面之間一般都採用不可卸連接,如鉚接、膠接、焊接等。
由於飛機部件的構造複雜,零件及連接件數量多,大多數零件在自身重量下剛度較小,而組合的外形又有嚴格的技術要求,因此其裝配內容繁多、工作量大,在裝配過程後期,機體結構比較封閉、勞動條件較差。因此在飛機成批生產時,通常將部件進一步劃分為段件,段件再進一步劃分為板件、組合件等各種裝配單元,簡化部件或段件裝配型架結構,使裝配工作分散、工作環境開敞從而縮短裝配周期,改善裝配工作的勞動條件。
部件裝配過程大致可劃分成以下幾個階段:組合件、板件裝配;段件、部件裝配。按照分散裝配原則劃分出來的板件、組合件的鉚接工作可以通過機械化或自動化的手段,提高連接質量和勞動生產率。段件和部件的裝配可按工藝歸納為三組:(1)為非板件化結構的段部件,通常由許多分散的單個零件和較小的組合件裝配而成,而且需要複雜的、比較龐大笨重的裝配型架;(2)板件化的段部件,主要由裝配或加工成的板件和組合件裝配而成,而所用的段部件裝配型架較簡單,而且擴大平行工作面和實現裝配工作機械化的可能性較大;(3)分成段件的部件,實質上是預先裝配好的各段連接,以及分離面處各系統的連接工作。
飛機總裝配是部件裝配過程的延續,是飛機裝配工作的最後階段。飛機總裝配的任務是根據飛機圖紙、技術條件及生產使用說明書的規定和要求,將部件裝配車間移交的各段件、部件對接成完整的一飛機,將各專業廠提供的發動機、各種儀表、設備和附件等安裝在飛機上,用各種導管、電纜、拉杆等連接成系統,進行調整、試驗和檢驗,最後將飛機送交工廠試飛車間,作地面及空中試飛。
飛機總裝配難以實現大規模的機械化以提高生產效率,勞動量一般佔飛機製造總勞動量的 8%一 15%,周期所佔百分比可達 20%。此外,飛機總裝配佔用的生產面積大,要求使用高度和跨度較大的廠房。在成批生產中,飛機總裝配採用流水生產的 組織形式,在總裝時基準部件沿著流水線移動,其他部件、系統、設備、附件等在總裝的不同階段安裝到飛機上去,進行調整和試驗,最後總裝出整架飛機。
為節省總裝工作佔用的生產場地,提高總裝工作的效率,主流的飛機製造企業通常採用移動式裝配生產線,移動式裝配生產線能實現飛機高質量、低成本和快速響應的製造。在裝配流程的設計上,最主要考慮生產節拍的要求,均衡分配各站位的工作量並確定人員配臵,產品在生產線上以固定的時間頻率移動,保障飛機總裝生產能夠以固定的節拍進行。此外,在移動式生產線的工藝布局上,既要考慮裝配工作的工藝流程,也要按有利於移動生產的原則安排物料、工位器具、工具車、看板等生產資料的布臵。
在飛機總裝配中通常在生產線布臵若干裝配站,必須在機上安裝調試的工作稱為裝配站工作,不在機上的總裝配工作稱為工作檯工作。飛機總裝配流水作業的基礎就是安裝、調試工作的節奏化,所以組織流水生產就是將機體對接及安裝、調試等工作劃分為許多工序,然後根據飛機結構將必須在機上工作的若干工序組合成一個任務,而完成該任務的時間應等於或倍比於流水線生產的節奏時間,這個任務就是某裝配站上的工作內容。
飛機總裝配工作結束後,由機場車間與總裝配車間共同檢查飛機的總裝配質量,檢查飛機的外表情況、儀表和設備的成套性,進行車間分工的某些試驗工作,包擴飛機電氣、無線電、操縱、液壓等各系統檢驗與試驗,加注燃油、滑油開展發動機試車試驗,並在試飛合格後將飛機移交給訂貨方。
飛機製造業是交通運輸設備製造業中的一部分,主要包括零部件製造和整機製造兩大類別。飛機製造是一個非常複雜的先進技術製造業,涉及 70 多個學科和大部分工業產業。一架大飛機一般由 300-500 萬個零部件組成,主要包括機體、發動機、航電設備、機電設備和標準件(電線電纜、電器通用器件)五大部分,因此飛機製造業主要包括機體製造、發動機製造、核心機載設備製造(航電和機電設備)和標準件製造,其中發動機製造和機載設備製造屬於核心設備製造。除此之外,航空材料也是飛機製造業的重要組成部分,鋼、鋁、鋁鋰合金、鈦和複合材料是飛機機體和主要結構件部分的構成材料,其中 30%以上的飛機材料仍使用鋁合金,但複合材料的使用比例逐漸擴大,未來將達到 23%-25%。
飛機製造業是高新技術最集中的高端製造業:航空產品複雜度高,比如美國波音747 零部件共 600 多萬個;我國的運七支線客機零部件 55 萬多個;19 座以下小型飛機至少需要 10 萬個的零部件。產品精度也很高,飛機零部件的技術參數達到 10-7量級,相比較,一輛汽車的零部件技術參數為 10-4 量級。發達國家如美國、日本、韓國等國,已經將飛機及其零部件製造列為高技術產業,我國在 2006 年也將飛機製造業列為了優先發展的高技術行業。
飛機製造業是高投入、高收益和高風險並存的行業:由於航空產品的技術含量、複雜度和精度都很高,因而在研發過程中需要大量的資金投入作支撐。軍機研製經費高,美國為其第三代軍機 F-15 投入 17.5 億美元,為隱身戰鬥機 F-117A 投入 20 億美元,F-22 總花費高達 130 億美元。同時,民機的研發費用也很高,比如空客 A320花費 20 億美元,波音 777 投入了 50 億美元。 高投入帶來高收益,如 F-16 的售價 為 1840 萬美元,F117A 售價 4600 萬美元,B-2-售價高達 5.1 億美元,A-320 售價3800 萬美元,波音 777 售價 1 億美元以上。高技術含量、高投入、高收益伴隨的必然是高風險。飛機研製周期很長,一般來說,從預研到交付長達 5 年,因而需要持續的資金支持作為保障。同時,只有保證充足的銷售額才能獲利,比如,空客A-300 花費了 20 年時間進行生產,在交付 1100 架的時候才達到盈虧平衡。
飛機製造業有很高的產業帶動作用:根據發達國家的經驗,飛機製造業的投入產出比在十年後大約是 1:80,技術轉移比是 1:16,就業拉動比是 1:40,一個機型有 500 多個一級配套企業,有 3000-5000 個二級配套廠商,這樣金字塔式的供應鏈使得航空工業的發展產生了巨大的規模式效應,對城市經濟和區域經濟產生一系列的輻射作用,引領著整個產業結構的階梯式發展。
飛機製造業需要規模龐大的產業配套:飛機製造的產業鏈很長,包括與飛機有直接配套關係的飛機本身和隨機器材(地面設備和工具),以及與飛機製造過程配套的製造設備、工藝設備、檢測設備和材料等。航空產品複雜度很高,涉及 70 多個學科和大部分的工業領域,因此需要規模巨大的產業配套,如波音 747 由 100 多萬個零部件構成,需要上萬個配套企業進行協同生產;波音 787 大約有 400 萬個零部件,其中 90%的零部件生產分包給了 40 多個國家的合作夥伴,自己僅生產尾翼以及進行最後的組裝。
新中國成立之前,中國基本沒有自己的飛機製造業,國內只有幾家小型飛機修理廠。1949 年之後,中國的飛機製造業經歷了從修理到製造、從仿製到自行研製、從自主發展到國際合作的成長過程,並逐步建立起自己的飛機製造業。自主研製成功了Y7、MA60、Y8、ARJ21 等民用飛機,同時飛機製造業企業加強了國際合作,從轉包飛機零部件到承擔國外整機總裝生產,轉包生產零部件涉及波音 737、747、757和空中巴士 A310、A320、A330/340 和 ATR42/72 等。
新中國成立後,中央決定開始建立自己的飛機製造業,1950 年 12 月,周恩來總理召開會議,討論和確定了飛機製造業建設的基本方針,同時決定派出赴蘇談判代表團。1951 年 2 月 19 日,中國和蘇聯達成協議,意味著爭取蘇聯援助的準備工作已經基本完成。同年 4 月 17 日,中央人民政府革命軍事委員會和政務院頒發了《關於航空工業建設的決定》,《決定》提出中國飛機製造業目前階段的任務是全力保證中國空軍部隊及航空學校的所有飛機、發動機的修理以及零件、配件和工具的製造,然後再逐步地向飛機裝配及飛機製造方向發展。由此可以看出,中央確定這一時期飛機製造業發展戰略為「從飛機修理到製造」。
1951 年以後,需要修理的飛機、發動機的數量劇增,為此,航空工業局及時提出「密切結合修理的需要,兼顧技術發展,積極試製新產品」的方針,要求各修理廠迅速擴大零件製造範圍,做到既滿足修理的需要,又逐步為過渡到製造創造條件。執行這個方針以後,各修理廠新試製的零件種類增長很快。大量自製零件的過程,也是學習和掌握冷加工、熱加工、試驗、裝配、檢驗等整套複雜的製造技術的過程。零 件製造範圍的不斷擴大,促進了管理水平的迅速提高。從 1954 年開始,飛機製造業工作正式轉向製造。1954 年 7 月 11 日南昌飛機製造廠製造的初教 5 型飛機試飛成功,標誌著中國飛機製造業從此由修理跨入了製造的新階段。「一五」期間,中國飛機製造業取得了由修理到製造的成功,投入成批生產,並交付使用,主要是由於中央政府制定了從修理到製造的正確方針,同時積極爭取蘇聯的技術援助和專家指導。
自 1954 年初教 5 型飛機製造成功後,中國飛機製造業開始進入仿製階段。五十年代末、六十年代初,中國飛機製造業在初步掌握飛機製造技術之後,建立航空科研機構,也試著自行研究和設計飛機。中蘇合同中斷以後,中國飛機製造業開始從仿製走向自行研製的新階段。在這個階段,中國航空人把仿製與局部自行設計結合起來,跳出「依樣畫葫蘆」的單純仿製,不斷仿製出高空高速殲擊機殲 7、輕型噴氣式轟炸機轟 5 和中程噴氣式轟炸機轟 6。這些機種不是單純的仿製,都進行了局部
改進或自行設計。六十年代,中國自行設計了超音速強擊機強 5 和高空高速殲擊機殲 8,並獲得了成功。1966 年 10 月,周恩來總理、葉劍英副主席批准研製運 7 型旅客飛機。1970 年 12 月,50 座的運 7 型旅客飛機試飛成功,填補了國內中型運輸機的空白,並培養了一批技術人員。1969 年 10 月,國家又開展了運 8 飛機的研製,經過 5 年的努力,1974 年 12 月運 8 試飛成功。運 7、運 8 的研製成功,使中國飛機製造業向獨立自主研製邁出了一大步。中國航空人不但開發新機種,而且在已有機型的基礎上,不斷地改進機型。1964 年,白天型的殲 5 飛機改進圍全天候的殲 5飛機。後來又將殲 5、轟 5 和殲 6 改為教練機殲教 5、轟教 5 和殲教 6,同時,還開展了改型偵察機轟偵 5 和殲偵 6 的工作。這些改型滿足了多層次,多方面的需求。從 1961 年到 1976 年這 16 年間,中國飛機製造業累計研製生產了 7 種新型飛機,而且飛機的重量也在不斷增加。中國飛機製造業已經具備一定的科研和生產能力,這也標誌著中國飛機製造業由仿製走向自行研製取得了初步勝利。
七十年代後,中國的飛機製造業逐步向民用方向發展,先後研製出多種型號的民用飛機,民用飛機也由小型支線飛機發展到大型幹線飛機。其中的一個重大研製項目是大飛機—「運十」,它是在毛澤東、周恩來的直接過問下,於 1970 年 8 月立項,僅僅比空中巴士晚兩年。1980 年 9 月,完全自主設計製造的大飛機—「運十」首飛成功。但「運十」項目於 1983 年 10 月下馬。中國放棄自行研製的「運十」項目之後,航空部門開始尋求國際合作,並制定了「三步走計劃」發展戰略:第一步是部分製造和裝配麥道 80/90 系列飛機,由麥道提供技術;第二步是與國外合作,聯合研製 100 座級飛機,約在 2005 年服役;第三步是在 2010 年實現自主設計製造 180座幹線大飛機的能力。「三步走計劃」發展戰略的實施標誌著中國飛機製造業開始由自主設計走向國際合作的發展道路。儘管「三步走計劃」失敗了,但國際航空製造商沒有放棄與中國的合作,如今空中巴士公司在天津設立飛機總裝線,巴西也將總裝線設在哈爾濱,中國飛機製造業國際合作水平達到了前所未有的高度。
件製造範圍的不斷擴大,促進了管理水平的迅速提高。從 1954 年開始,飛機製造業工作正式轉向製造。1954 年 7 月 11 日南昌飛機製造廠製造的初教 5 型飛機試飛成功,標誌著中國飛機製造業從此由修理跨入了製造的新階段。「一五」期間,中國飛機製造業取得了由修理到製造的成功,投入成批生產,並交付使用,主要是由於中央政府制定了從修理到製造的正確方針,同時積極爭取蘇聯的技術援助和專家指導。
自 1954 年初教 5 型飛機製造成功後,中國飛機製造業開始進入仿製階段。五十年代末、六十年代初,中國飛機製造業在初步掌握飛機製造技術之後,建立航空科研機構,也試著自行研究和設計飛機。中蘇合同中斷以後,中國飛機製造業開始從仿製走向自行研製的新階段。在這個階段,中國航空人把仿製與局部自行設計結合起來,跳出「依樣畫葫蘆」的單純仿製,不斷仿製出高空高速殲擊機殲 7、輕型噴氣式轟炸機轟 5 和中程噴氣式轟炸機轟 6。這些機種不是單純的仿製,都進行了局部
改進或自行設計。六十年代,中國自行設計了超音速強擊機強 5 和高空高速殲擊機殲 8,並獲得了成功。1966 年 10 月,周恩來總理、葉劍英副主席批准研製運 7 型旅客飛機。1970 年 12 月,50 座的運 7 型旅客飛機試飛成功,填補了國內中型運輸機的空白,並培養了一批技術人員。1969 年 10 月,國家又開展了運 8 飛機的研製,經過 5 年的努力,1974 年 12 月運 8 試飛成功。運 7、運 8 的研製成功,使中國飛機製造業向獨立自主研製邁出了一大步。中國航空人不但開發新機種,而且在已有機型的基礎上,不斷地改進機型。1964 年,白天型的殲 5 飛機改進圍全天候的殲 5飛機。後來又將殲 5、轟 5 和殲 6 改為教練機殲教 5、轟教 5 和殲教 6,同時,還開展了改型偵察機轟偵 5 和殲偵 6 的工作。這些改型滿足了多層次,多方面的需求。從 1961 年到 1976 年這 16 年間,中國飛機製造業累計研製生產了 7 種新型飛機,而且飛機的重量也在不斷增加。中國飛機製造業已經具備一定的科研和生產能力,這也標誌著中國飛機製造業由仿製走向自行研製取得了初步勝利。
七十年代後,中國的飛機製造業逐步向民用方向發展,先後研製出多種型號的民用飛機,民用飛機也由小型支線飛機發展到大型幹線飛機。其中的一個重大研製項目是大飛機—「運十」,它是在毛澤東、周恩來的直接過問下,於 1970 年 8 月立項,僅僅比空中巴士晚兩年。1980 年 9 月,完全自主設計製造的大飛機—「運十」首飛成功。但「運十」項目於 1983 年 10 月下馬。中國放棄自行研製的「運十」項目之後,航空部門開始尋求國際合作,並制定了「三步走計劃」發展戰略:第一步是部分製造和裝配麥道 80/90 系列飛機,由麥道提供技術;第二步是與國外合作,聯合研製 100 座級飛機,約在 2005 年服役;第三步是在 2010 年實現自主設計製造 180座幹線大飛機的能力。「三步走計劃」發展戰略的實施標誌著中國飛機製造業開始由自主設計走向國際合作的發展道路。儘管「三步走計劃」失敗了,但國際航空製造商沒有放棄與中國的合作,如今空中巴士公司在天津設立飛機總裝線,巴西也將總裝線設在哈爾濱,中國飛機製造業國際合作水平達到了前所未有的高度。
我國航空零部件產業已經基本建立獨立自主的工業體系,在推動國防裝備現代化轉型升級、促進通用航空發展方面起到了關鍵作用。在國民經濟快速發展、各項改革不斷深化的備件下,國內軍用飛機面臨升級換代的迫切需求,民用航空運輸業迅速發展也帶動民用飛機市場急劇擴大,航空工業也迎來了前所未有的發展機遇。目前我國軍用和民用航空工業進入快速發展時期,技術水平明顯提升,航空零部件基礎能力建設進一步加強,此外航空工業的國際合作不斷深化,與世界先進水平間的差距不斷縮小,並逐步形成軍民結合、寓軍於民的產業發展格局。
飛機製造業通常採取「整機製造商—多級供應商」的製造模式。產業鏈的第一級為整機製造商,主要從事產品設計、總裝製造、市場營銷、客戶服務和適航取證環節;第二級為關鍵航空子系統製造商,所提供的子系統包括機體、發動機、航空電子等主要機載設備;第三級主要包括眾多為產業鏈上層的整機與子系統製造商提供零部件與材料的供應商。航空航天零部件製造是航空航天製造業的基礎性子行業,是實現航空航天材料向關鍵子系統和整機製造轉變的重要環節,具有產品門類繁多、工藝路線複雜和產品精密度高的特點。從軍民融合與資產專用性角度,零部件製造業較專用子系統及整機組裝,在不同機型及軍民應用領域之間具有更廣泛的通用性及下遊市場;同時,由於零部件產品的高度定製化,零部件製造商易與整機及子系統製造商形成較深入的合作關係。
當前我國航空製造產品仍然以軍用飛機為主,中航工業集團基本壟斷國內所有軍機型號的生產。中航工業集團公司設有航空武器裝備、軍用運輸類飛機、直升機、機載系統、通用航空、航空研究、飛行試驗、航空供應鏈與軍貿、專用裝備、汽車零部件、資產管理、金融、工程建設等產業。中航工業集團下轄 100 餘家成員單位,覆蓋了從研發設計、零部件製造到子系統與整機組裝的全產業鏈,其中整機製造企業主要包括沈飛集團、成飛集團、洪都航空、西飛集團、哈飛集團等,產品涵蓋殲擊機、殲擊轟炸機、轟炸機、運輸機、教練機、偵察機、直升機、強擊機、通用飛機、無人機等飛行器,以及空空、空面、地空飛彈
我國飛機製造業歷經數次戰略性和專業化重組,目前形成了以中航工業及其下屬單位、以及中國商飛為主的製造格局,各企業依據自身實力和技術研發格局,承接不同類型航空器產品的研發和製造。圍繞航空工業的產業布局,我國航零部件製造行業形成了內部配套企業為主,科研機構、合資企業和民營企業有效補充的市場競爭格局。
空軍是現代化戰爭中的戰略軍種之一,先進戰機作為我國空軍主戰裝備亟待批量列裝。軍用航空器主要包括戰鬥機(又稱殲擊機)、攻擊機(又稱強擊機)、轟炸機、武裝直升機、軍用運輸機、預警指揮機、空中加油機、偵察機、教練機和無人機等。在軍用航空領域,由於世界格局不斷變化、周邊環境中仍存在不確定及不穩定因素,我國持續保持相對較高的國防投入,進行軍隊體制改革以適應國防和軍隊戰略要求,提升軍隊戰鬥力。根據財政部發布的《關於 2019 年中央和地方預算執行情況與 2020 年中央和地方預算草案的報告》,2019 年我國國防預算將增長 6.6%,達到12684.08 億元。國防投入持續增加,其中空軍作為重要的戰略軍種之一,其現代化建設進入快車道,決定軍用航空領域市場需求將在一段較長周期內持續旺盛。
我國軍機總量與美國存在較大差距,對標世界一流軍隊,軍機增補空間很大。截至2019 年底,美國擁有軍用飛機 13266 架,佔比 25%,數量居全球第一;其次是俄羅斯,數量達 4163 架,佔比 8%;我國擁有軍機數量為 3210 架,佔比約為 6%,其中戰鬥機 1603 架、直升機 903 架、運輸機 276 架、教練機 366 架、特種飛機 111 架,同美國存在較大差距。建設一流軍隊已成為國家發展戰略,對標美國,我國軍機尤其是先進戰機在數量上存在很大增補空間,以「20 系列」為代表的國產先進戰機已進入批產列裝階段,訂單有望加速釋放,帶動我國航空產業景氣度進一步提升。從戰鬥機的代際結構上看,中國戰鬥機中大量存在著殲-7、殲-8 等老舊二代機型,三代機、四代機數量佔比遠低於美國、俄羅斯兩個世界強國。J-7、J-8 等二代機均為上世紀 90 年代以前的主流機型,服役時間較長,未來將逐步升級為 J-10、J-16、J-20等三代半或四代新機型。此外隨著國內新型直升機、教練機、運輸機的成熟,相關飛機也面臨著大量的列裝、換裝需求。
我國空軍目前正在向戰略空軍轉型,未來 10 年帶來軍機需求規模約 1.98 萬億元。當前我國軍用飛機正處於更新換代的關鍵時期,未來 10 年現有絕大部分老舊機型將退役,殲-10、殲-11、殲-15、殲-16 和殲-20 等將成為空中裝備主力,新一代先進機型也將有一定規模列裝,運輸機、轟炸機、預警機及無人機等軍機也將有較大幅度的數量增長及更新換代需要。
按照飛機機身零部件佔到飛機總價值量的 30%計算,預計 2021-2030 年十年間我國軍機列裝帶來的航空零部件的市場規模約為 6000 億元,按照加工服務費用佔零部件價值的 15%計算,航空零部件生產製造服務市場空間約為 900 億元,年均約為 90億元。
航空工業是典型的知識密集型、技術密集型行業,產業鏈長、國際分工程度高、市場容量大是國際航空工業的突出特徵。隨著經濟全球化和區域經濟一體化趨勢愈加明顯,我國航空工業融入世界航空產業鏈已經是大勢所趨。航空工業作為參與國際化分工深入的行業之一,其健康發展可以有效帶動國內企業參與國際競爭,充分利用國際國內兩個市場、兩種資源,分享世界經濟發展帶來的成果。目前國際航空轉包生產大致分為 3 個層級。美國、歐洲、日本屬於第一陣營,以參與設計研發、工 程製造、大部件集成為主,利潤率較高;中國大陸、韓國、墨西哥、突尼西亞等屬於第二陣營,以機體結構件的製造為主,利潤率一般;俄羅斯、印度等屬於第三陣營,大多處於零組件供應商層級,利潤率較低。經過多年的積累,我國已基本掌握世界先進的數控加工技術和大型飛機機翼製造關鍵技術,具有複合材料加工、特殊工藝製造、大型鈑金零件成型加工能力。
隨著我國現代製造業的發展,民用航空國際轉包已經發展到新的高度。我國民用航空事業起步較晚,並且在零部件的生產中,大都是以國際轉包的形式為先進的民用飛機提供零部件產品。近些年來,我國航空企業一直通過國際航空轉包生產以及大量合資企業建設的方式,不斷提升國際主力機型結構部件、金屬型材、金屬零部件等方面的生產能力和產品質量,逐步成為世界航空產業重要的組成部分,提升了國際化發展能力。我國的航空零部件轉包最初主要是通過「三來加工」的形式出現,即客戶來圖、來料和來樣,企業根據客戶的圖紙對零部件進行生產和裝配。在國際轉包業務配套過程中,國內航空零部件生產企業的技術實力明顯得到提升,業務規模不斷擴大。
目前中國民機國際轉包規模較之美國、歐洲、日本仍有很大差距,甚至低於韓國。2014 年,全球民機轉包生產市場規模約 250 億美元,其中日本承接的轉包生產規模佔比約 13-17%,韓國約 8.3%,而我國佔比僅 6.5%。而同期我國民機採購數量佔波音空客交付總量的比例高達 16.64%。我國現有的民機國際轉包體量遠低於發達國家所獲得的國際貿易補償的平均標準。究其原因,一方面我國航空零部件的國際轉包業務中,除西子航空等極個別公司直接承接了空客等整機廠的少量訂單外,均由中航工業及其下屬公司總攬承包並分包,但中航工業作為我國航空事業的中堅力量,主要精力更多投向自主機型的研發及生產;另一方面,民營企業雖有較強的國際轉包業務承接意願,礙于波音、空客一級供應商認證的嚴苛條件,民營企業極難直接從波音、空客取得訂單。未來伴隨著波音、空客國際採購趨勢的加深和國內航空零部件製造主體的多元化特徵凸顯,一批實力雄厚、工藝完整、技術質量過關的民營企業將可能獲得波音、空客一級供應商認證,突破現有製造格局。公司作為航空零部件製造領域的優勢民營企業,隨著自身加工實力和產品質量的不斷提升,將優先受益於行業格局的調整。
從上世紀 80 年代開始,全球航空行業景氣度持續上升,航空客運量持續走高,各國對飛機的需求量保持持續增長。根據《中國商飛公司市場預測年報(2019-2038)》,未來二十年,全球航空旅客周轉量將以平均每年 4.3%的速度遞增,預計將有 45,459架新機交付,價值約 6.6 萬億美元。同時,根據波音公司發布的《商業市場展望(2018-2037)》,在地區發展分布方面,亞太地區需求最為強勁,未來 20 年預計新增 16,930 架,市場價值達 2.67 萬億美元,成為全球最大的航空市場。根據《中國商飛公司市場預測年報(2019-2038)》,到 2038 年中國機隊規模將達到 10,344 架,未來二十年,中國航空市場將接收 50 座以上客機 9205 架,價值約 1.4 萬億美元(約10 萬億人民幣)。按照我國對外採購幹線飛機數量及最低 5%的貿易補償標準,以及國產飛機已取得訂單的情況,按飛機零部件約佔飛機總價值 30%的比例測算,我國民用航空零部件國際轉包市場規模約 1000 億元。
以 ARJ21 和 C919 為代表的國產民航飛機批產在即,有望打開航空零部件國內分包市場空間。我國繼運-10 後自主研製的第二種大型客機 C919 已於 2017 年 5 月實現 首飛。目前 C919 客機市場前景看好,全國人大代表、C919 大型客機總設計師吳光輝在今年兩會期間表示,目前 C919 的全球客戶達到 28 家,訂單總數達到 815 架,中航工業及下屬成飛民機、沈飛民機等承擔了 C919 大部分機身部件的生產工作,預計佔飛機總價值量 15%左右。此外,截止 2020 年 3 月我國 ARJ21、新舟 60 和新舟 600、新舟 700 分別獲得訂單 724 架、524 架(根據 2016 年的 343 架推測)和285 架,按照各自售價及零部件佔飛機總價值 30%左右的比例計算,國產飛機已有訂單可為零部件製造帶來分包收入約為 1600 億元。
飛機製造是一項龐雜的系統工程,飛機的設計過程涉及到力學、熱力學、材料學、控制工程、機械工程、儀器科學與工程、電子、通信、計算機等多個基礎學科的綜合運用和集成優化,其製造過程高度依賴上遊原材料、冶金、電子、化工、特種加工等基礎工業。
航空零部件製造、飛機部裝/總裝是飛機製造行業的核心環節,目前飛機總裝環節的生產任務主要由國有企業承擔,民營企業大多參與其中的零部件加工、工藝裝備生產、部件裝配等環節。上市公司中,中航沈飛、中航飛機、中直股份、洪都航空是目前具備戰鬥機、運輸機、直升機等軍用飛機總裝資質的企業,在上遊零部件加工環節涉及的企業範圍較廣,既包括以中航重機、成飛集成為代表的國有企業,也包括愛樂達、三角防務、西菱動力等民營企業。
航空航天業務同比大幅增長,部組件裝配助力公司發展再上新臺階。公司全資子公司德坤航空主營航空航天零部件製造業務,目前主營業務包括航空航天工裝摸具設計及製造、航空數控零件精密加工、航空鈑金零件製造和部組件裝配等,產品應用 于波音、空客、IAI、中國商飛等民用飛機,多種型號軍用飛機以及運載火箭等。
2020H1 航空航天業務實現營業收入 0.21 億元,同比增長 70.16%,航空航天業務迅猛發展。工裝磨具、精密加工和鈑金零件是目前德坤航空的主要收入來源,未來公司在航空航天領域部組件裝配布局將進入收穫階段。我國國產軍機進入加速放量階段,不僅帶動公司工裝磨具和零件加工業務的發展,更重要的是為公司部組件業務發展帶來重大機遇,公司將憑藉自身技術實力實現向部組件裝配的跨越式發展。
母公司主業短期受疫情影響較大,全年有望實現穩步增長。上半年受疫情影響,粉末系統及配套設備製造業務營收同比下降 3.22%,其中輥系(子)下降 31.93%,對整體營收影響較大,主要因為下有部分客戶受疫情影響復工復產延遲導致需求量減少。隨著國內疫情得到有效管控,預計下半年母公司主業有望出現明顯改善,全年有望實現穩步增長。
盈利預測與投資建議:預計公司 2020/21/22 年實現營業收入分別為 9.23/12.57/17.76億元,歸母淨利潤分別為 2.62/3.94/6.25 億元,EPS 分別為 0.26/0.39/0.61 元,給予公司 38 倍合理 PE,對應 2021 年目標價格為 14.82 元。鑑於當前國產軍機加速放量和未來國產大飛機批產將帶動航空零件加工和部組件裝配市場高速發展,公司有望充分受益,給予「買入」評級。
汽車業務市場拓展取得重大突破,汽車業務有望實現快速反彈公司汽車業務主要產品為曲軸扭轉減振器、連杆總成和凸輪軸等汽車發動機零部件,並向渦輪增壓器等新產品不斷拓展。目前公司與眾多汽車廠商建立戰略合作關係,在某國際著名汽車製造商配套方面取得重大突破,有望帶動公司汽車業務實現快速反彈。
積極布局航空航天製造,有望受益軍工行業高景氣:公司長期深耕汽車發動機精密零件加工,在精密數控加工、鑄造、鍛造和熱處理技術等方面積累了強大實力,憑藉技術實力和地理位臵優勢,公司圍繞主機廠實現航空航天零部件製造領域進行布局,預計 2021 年進入收穫階段,受益於軍工行業高景氣度不斷提升,公司未來發展有望不斷超預期。
實施股權激勵,激發骨幹員工積極性:公司擬實施股權激勵,向 181 名骨幹員工授予限制性股票 320 萬股,佔目前公司總股本的 20%,與公司發展進行利益綁定,有望激發骨幹員工的積極性和創造力。
大股東認購定增,彰顯對公司未來發展信心:公司擬通過定增方式募集資金 1.5 億元,以補充公司流動資金,控股股東魏曉林先生全額認購本次定增額度,彰顯對公司未來發展信心。
盈 利 預測 與 投資 建議 :預 計 公司 2020/2021/2022 年 實現 營 業收 入分 別 為5.31/9.28/12.35 億元,實現歸母淨利潤 0.39/1.69/2.71 億元,EPS 分別為 0.24/1.06/1.70元。對公司進行分部估值,汽車業務給予 25 倍合理 PE,航空航天製造業務給予 50倍合理 PE,給予公司 2021 年目標價為 38.75 元,給予「買入」評級。
國內工業制動器行業領導者,布局航空航天實現業務結構優化升級。公司是國內生產規模大、產品品種全、行業覆蓋面廣,是我國工業制動器現有多項行業標準的第一起草單位,產品廣泛應用於港口、軌道交通、風力發電等行業,並配套出口到全球 92 個國家和地區。公司積極把握軍用航空高端裝備製造行業的發展機遇,立足工業制動器領域的優勢地位,加強在軍工領域的業務拓展,以實現自身產業布局的優化升級,通過併購安德科技和長沙天映形成工業制動器和航空高端製造雙主業的發展格局。
港機、風電、軌交等下遊市場景氣較高,制動器產品收入有望穩定增長。公司制動器在重型裝備市場佔有率在 40%以上,風電產品客戶基本涵蓋了國內主要風電設備主機廠商,也是國內唯一具備低地板有軌電車液壓制動系統裝車資質的民營企業,隨著港機的自動化升級、國內風電裝機規模快速擴張以及城市軌道交通投資規模的穩步增加,公司工業制動器產品業務規模有望持續穩定增長。
下遊需求迅速擴張,航空航天業務將帶動業績快速增長。公司積極向航空航天領域進行業務拓展,業務涵蓋航空工藝裝備、發動機零部件、飛機維修服務等,子公司安德科技和長沙天映在各自細分行業內都具有較強競爭優勢。國內軍用航空裝備將進入列裝/換裝上行周期,有望帶動上遊航空工藝裝備、航空零部件以及飛機/發動機維修需求的大幅增加,公司航空航天領域將帶動公司整體業績快速增長。
盈利預測與投資建議:預計 2020-2022 年營收為 13.92/17.70/22.09 億元,歸母淨利潤為 1.68/2.22/3.05 億元,EPS 分別為 0.44/0.59/0.80 元,給予「買入」評級。
(本報告觀點及版權屬於原作者,僅供參考。報告來源:東北證券)